一种用于析氧反应的alpha相氢氧化钴纳米片的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种析氧反应催化剂材料alpha相氢氧化钴纳米片的制备方法。将钴源化合物和碱性试剂分别溶于亲水性溶液中，混合均匀后进行微波加热下的冷凝回流，自然冷却至室温，离心洗涤后分离，真空干燥后得到alpha相氢氧化钴纳米片。本发明专利技术采用微波加热冷凝回流的方式，制备方法简单、易操作、成本低廉、环境友好，整个反应过程不需要特殊设备，利于工业化生产，最终得到产物质量较高。本方法制备的alpha相氢氧化钴纳米片可同时实现材料导电性高，活性位点多，电催化活性高等优点。本发明专利技术制备的材料是一种具有广泛商业化应用前景的理想析氧反应催化材料。

Preparation method of alpha phase cobalt hydroxide nano sheet for oxygen evolution reaction

The invention discloses a method for preparing oxygen evolution reaction catalyst material alpha phase cobalt hydroxide nano slice. The cobalt source compounds and alkaline reagents were dissolved into the hydrophilic solution, mixing reflux under microwave heating and natural cooling to room temperature, washing after centrifugal separation, vacuum drying to obtain alpha cobalt hydroxide nanosheets. The invention adopts microwave heating reflux method, simple preparation method, easy operation, low cost and environment friendly, the whole process does not require special equipment, suitable for industrial production, finally get a higher quality of products. The alpha phase cobalt hydroxide nano film prepared by the method has the advantages of high conductivity, active site and high electrocatalytic activity. The material prepared by the invention is an ideal oxygen evolution reaction catalytic material with wide commercial application prospect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术具体涉及类石墨烯二维材料，alpha相氢氧化钴纳米材料的制备，属于类石墨烯二维纳米材料的制备技术与电催化材料应用领域。
技术介绍
伴随着能源需求的日益提升，关于水分解反应的研究越来越受到人们的关注。水分解反应既可以作为储能装置将电能转化为化学能储存起来(氢能和氧气)，也可以作为产能装置与光敏材料结合直接利用太阳能分解水产生能源。这两种清洁高效的途径，完全符合人类对于未来能源的期望。水分解反应，可以分为两个半反应，析氧反应与析氢反应，其中析氧反应化学动力学阻力远大于析氢反应，所以析氧反应一直作为研究的热点。在析氧反应催化剂研究的早期，主要围绕着铂，钌，铱等贵金属材料。但是贵金属材料自身高昂的成本限制了其广泛的应用。随着近年来的研究发展，过渡金属氧化物/氢氧化物在析氧反应催化方面的研究受到了广泛的重视。RodneyD.L.Smith等人(SCIENCE,340(2013)60-63)报道了过渡金属氧化物材料作为析氧反应催化剂的优异性能。此后相关的材料一直成为析氧反应催化材料的研究热点。二维材料由于其形貌方面的特征，材料在电子传输或者热传递过程中，传导将被限制于一个平面内，这一物理特性使其受到了广泛的关注。当二维材料作为电催化剂时，利用二维材料的特性，不但能通过提高电子传输速率而提升材料的催化性能，而且自身的高比表面积有利于催化反应过程中活性位点数目的增加从而提升材料的催化活性。目前国际上常用的二维材料制备方法主要围绕着电沉积和液相剥离，这两种方法制备的材料合成周期长、产量低不利于大规模的制备。在此选用合成周期短，材料均一，对环境友好的微波加热液相合成法，有利于材料的大规模应用于推广。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了合成高产量、高品质的alpha相氢氧化钴纳米片从而解决现有催化剂存在的电流密度低，过电位高，稳定性差等问题。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于析氧反应的alpha相氢氧化钴纳米片的制备方法，包括下列步骤：(1)将钴源化合物与碱性试剂分别溶于亲水性溶剂中，其中金属盐的总浓度0.05～1.5mol/L，氢氧根离子的摩尔浓度为0.2～6mol/L。(2)将步骤(1)所得的溶液混合并转移至玻璃器皿中混合，在微波激发条件下加热，反应功率为300～900W，反应时长为5～180分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。以上所述的钴源化合物为硝酸钴，氯化钴，草酸钴，硫酸钴，醋酸钴中的一种或者两种以上的混合盐；亲水性溶剂为去离子水，乙醇，乙二醇，丙三醇，异丙醇，异丁醇，癸醇中的一种或者两种以上的混合溶液；碱性试剂为氢氧化钾，氢氧化钠，碳酸氢铵，尿素，乙二胺中的一种或者两种以上的混合盐。(3)将上步合成的材料洗涤、烘干，用于水分解(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液(乙醇：去离子水比例为1:1)与5％的nafion水溶液中，nafion水溶液与混合溶液中混合溶液比例为1:(9～20)。将配制好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1MKOH。有益效果1.本专利技术的一种微波液相合成alpha相氢氧化钴纳米片的方法，其微观结构形貌特征为超薄、大面积，可用于析氧反应催化材料。2.本专利技术的一种微波液相合成alpha相氢氧化钴纳米片的方法，操作简单，成本低廉，反应条件温和，整个反应在常压下进行，反应温度在60～190℃之间，反应时间为5～180分钟，产物尺寸形貌均匀分散性好。3.本专利技术的一种微波液相合成alpha相氢氧化钴纳米片的方法，是析氧反应的良好催化剂，在1MKOH溶液中，扫速为10mV/s时，在过电位3.1V下，电流密度可达到10mAcm-2。材料同时也具有较低的塔菲尔斜率57mV/dec。附图说明图1为实施例1所制备的alpha相氢氧化钴纳米片的X-射线衍射图谱；图2为实施例3所制备的alpha相氢氧化钴纳米片的扫描电子显微镜图；图3为实施例4所制备的alpha相氢氧化钴纳米片的投射电子显微镜图；图4为实施例5所制备的alpha相氢氧化钴纳米片在1MKOH电解液中的线性伏安法扫描性能。图5为实施例6所制备的alpha相氢氧化钴纳米片在1MKOH电解液中，利用线性伏安法扫描法测试出性能后，通过计算所得出的塔菲尔斜率图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作详细描述，有助于理解本专利技术，但本专利技术并不仅局限于以下实施例。实施例1(1)分别将1.6g的氯化钴溶解于80mL去离子水中，3.2g的氢氧化钾溶解于10mL去离子水中。(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中混合，在微波功率为500W条件下加热反应30分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到alpha相氢氧化钴纳米片。(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液(乙醇：去离子水比例为1:1)与5％的nafion水溶液中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为95:5。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1MKOH。在扫描速率为10mV/s的扫速下测量，过电位3.28V时，电流密度可达到10mAcm-2。图1为本实施例所制得的alpha相氢氧化钴纳米片的X射线衍射图谱，从图中可以看出所获得的材料有很好的水滑石结构特征峰，并且材料的结晶良好。实施例2(1)分别将2.1g的硝酸钴溶于60mL去离子水，3.2g的氢氧化钠溶于40mL乙二醇中。(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中混合，在微波功率700W下加热反应15分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到alpha相氢氧化钴纳米片。(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液(乙醇：去离子水比例为1:1)与5％的nafion水溶液中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为90:10。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1MKOH。在扫描速率为10mV/s的扫速下测量，过电位3.4V时，电流密度可达到10mAcm-2。实施例3(1)分别将2.8g的硫酸钴溶于30mL去离子水中，3.2g的尿素溶于45mL乙醇和30mL乙二醇的混合溶液中。(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中混合，在微波功率600W条件下加热反应180分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到alpha相氢氧化钴纳米片。(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液(乙醇：去离子水比例为1:1)与5％nafion水溶液中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为90:10。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1MKOH。在扫描速率为50mV/s的扫速下测量，过电位3.02V时，电流密度可达到10mAcm-2。图2为本实施例所制得的alpha相氢本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于析氧反应的alpha相氢氧化钴纳米片的制备方法，包括如下步骤：(1)将钴源化合物与碱性试剂分别溶于亲水性溶剂中，其中金属盐的总浓度0.05～1.5mol/L，氢氧根离子的摩尔浓度为0.2～6mol/L。(2)将步骤(1)所得的溶液混合并转移至玻璃器皿中混合，在微波激发条件下加热，反应功率为300～900W，反应时长为5～180分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到alpha相氢氧化钴纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种用于析氧反应的alpha相氢氧化钴纳米片的制备方法，包括如下步骤：(1)将钴源化合物与碱性试剂分别溶于亲水性溶剂中，其中金属盐的总浓度0.05～1.5mol/L，氢氧根离子的摩尔浓度为0.2～6mol/L。(2)将步骤(1)所得的溶液混合并转移至玻璃器皿中混合，在微波激发条件下加热，反应功率为300～900W，反应时长为5～180分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹传宝，乔辰，朱有启，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11